ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ELEKTRYKA z. 85
_______ 1983 Hr kol. 757
Józef OBER Tomasz STANKIEWICZ
SKOJARZONY PROCES PRZETWARZANIA WęGLA NA PALIWA USZLACHETNIONE I ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ
Streszczenie. Przedstawiono koncepcję procesu przetwarzania węg
la na gaz i paliwo ciekłe z Jednoczesnym wytwarzaniem energii elek
trycznej. Zamieszczono schemat technologiczny siłowni nowego typu pracującej według przedstawionej koncepcji. Podano zakres prowadzo
nych prac badawczych.
1. Wstęp
światowy kryzys energetyczny zmusił wiele przodujących państw do po
ważnego zajęcia się rozwojem bazy paliwowej dla potrzeb przemysłu, rolni
ctwa i ludności. Przyczyn kryzysu należy szukać nie tylko w rozwoju prze
mysłu i wzrostu liczby ludności, lecz również w nowych technologiach pro
dukcji rolnej i szybkim rozwoju przemysłu tworzyw sztucznych. Nowoczesna produkcja rolna jest blisko 30 razy bardziej energochłonna od tradycyj
nej. Wdrożenie nowych metod produkcji w państwach o słabej bazie energe
tycznej spowodowało poważne zakłócenia produkcji rolnej. Również krajowe trudności w rolnictwie są wynikiem między innymi braku dopływu energii do tej gałęzi gospodarki. Wdrożone w kraju nowe technologie produkcji żywca potrzebują blisko 20 kg węgla na 1 kg mięsa. Przyjmując produkcję 100 kg żywca na jednego mieszkańca w ciągu roku prowadzi to do liczby 70 min ton węgla. Przy wydobyciu rocznie 200 min ton węgla zadanie to jest prawie nierealne. Podobnie zbilansowanie pozostałych gałęzi przemysłu prowadzi do ogólnego zapotrzebowania na energię odpowiadającą w przeliczeniu 500 min ton węgla kamiennego.
W świetle powyższych liczb zagadnienie kompleksowego i najbardziej ra
cjonalnego wykorzystania węgla Jako jedynego posiadanego w kraju źródła energii stanowi podstawowe i najbardziej pilne zadanie.
W bilansie zapotrzebowania na energię szczególne miejsce zajmuje bi
lans paliw ciekłych i gazowych, tj. węglowodorów. Od nich zależy nowo
czesność gospodarki. Szerokie zastosowanie tych paliw umożliwiłoby uzy
skanie znacznych oszczędności w przemyśle. Zastosowenie tych paliw w wie
lu technologiach zapewniłoby 2-3-krotne zmniejszenie energochłonności. Nie
stety, jak wiadomo, nie posiadamy tych paliw, a istniejący import jest
J. Ober. T. Stankiewicz mały i można oczekiwać dalszych poważnych zakłóceń w tym zakresie.W naj
bliższych latach zapotrzebowanie na węglowodory wyniesie 40-50 min ton rocznie. Z węgla można bezpośrednio uzyskać 20-303C węglowodorów. Stąd o- trzymanie 40-50 min ton w zasadzie nie przedstawia od strony ilościowej większego problemu.
Jednak oddzielenie tych ilości węglowodorów przedstawia bardzo złożony problem techniczny.
Istniejące metody upłynnienia lub zgazowania węgla są ogólnie znane i do tej pory nie znalazły jednak szerokiego zastosowania. Pracujące insta
lacje są niewielkie, o małej wydajności i mają znaczenie marginalne. Dla znalezienia przyczyn takiego stanu rzeczy przedstawiono w analizę me
tod przetwarzania węgla na paliwa ciekłe i gazowe, której celem było o- kreślenie optymalnych wariantów procesu.
Analiza ta doprowadziła do powstania koncepcji przetwórstwa węgla w ramach specjalnego kombinatu elektroenergetycznego (nowy typ elektrowni), mającego za zadanie wykorzystanie w maksymalnym stopniu energii zawartej w węglu. Technologia ta jest rozwiązaniem łączącym proces wytwarzania e- nergii elektrycznej i paliw węglowodorowych przy bardzo wysokim stopniu sprawności, umożliwiającym uzyskanie wspomnianych dużych ilości paliw cie
kłych i gazowych przy minimalnych nakładach inwestycyjnych.
2. Wymagania stawiane kompleksowej metodzie przetwarzania węgla
Efektywna metoda przetwarzania węgla powinna spełniać następujące wa
runki :
- proces technologiczny obejmujący jedynie oddzielenie węglowodorów M i - możliwość technicznej realizacji na dużą skalę, roczna produkcja 20-50
min ton paliw ciekłych i gazowych}
- stosowane parametry nie powinny odbiegać od stanu techniki;
- w miarę możliwości realizacja procesu w oparciu o istniejące rozwiązać nia techniczne;
- realizacja techniczna bezpośrednio przy kopalni ze względu na problemy transportowe;
- pełne zbilansowanie zapotrzebowania na wodę;
- małe zapotrzebowanie terenu;
- pełna ochrona środowiska naturalnego ze szczególnym uwzględnieniem emi
sji siarki.
3. Założenia technologiczne kombinatu
Realizacja podanych warunków wymaga połączenia procesu przetwórstwa*z procesem technologicznym konwencjonalnych elektrowni parowych opalanych węglem.
Skojarzony proces przetwarzania węgla. 97
W latach 1990-2000 przewiduje się spalanie w elektrowniach i elektro
ciepłowniach blisko 200 min toń węgla kamiennego i brunatnego. Zależnie od gatunku węgla można bezpośrednio uzyskać 20 do 30# węglowodorów ciek
łych i gazowych. Oznacza to ilości 40-60 min ton paliw ciekłych i gazo
wych, co zapewniłoby 100# pokrycia zapotrzebowania. Bezpośrednio spalanie tych węglowodorów w węglu przy występującym bardzo ostro deficycie paliw ciekłych i gazowych jest oczywistym marnotrawstwem. Proponuje się odmien
ny układ technologiczny elektrowni, który umożliwia oddzielenie węglowo
dorów ciekłych i gazowych z węgla, przeznaczając je na potrzeby innych ga
łęzi przemysłu oraz na produkcję energii elektrycznej z wyższym współ
czynnikiem sprawności (turbiny gazowe, MHD, itp.J. Istotą proponowanej koncepcji Jest otrzymywanie energii elektrycznej nie przez bezpośrednie spalanie węgla, a przez skojarzoną przemianę węgla na paliwo uszlachet
nione i energię elektryczną. W przyjętym układzie technologicznym bezpo
średniemu spalaniu podlega Jedynie wytworzony w procesie przetwórczym bez- popiołowy węgiel resztkowy. W metodzie wykorzystuje się wodę zawartą w węglu do procesu ekstrakcji w warunkach porładkrytycznych z jednoczesnym oddzieleniem większości popiołu w temperaturach ca 500°C.
Zastosowanie wody w stanie nadkrytycznym zostało sprawdzone w wykona
nych pracach [5], uzyskując przyjętą 30# przemianę węgla. Celowość stoso
wania stanu nadkrytycznego wody potwierdzają również prace [i, 2, 3].
Schemat technologiczny kombinatu elektroenergetycznego przedstawia ry
sunek 1.
Proces przygotowania węgla do przetwarzania odbywa się w obecności nadmiaru wody zapewniającej uzyskanie wysokiego rozwinięcia powierzchni bez blokady gazowej. Takie przygotowanie powierzchni kontaktowej zapewnia wysoką skuteczność ekstrakcji części substancji węgla w stanie nadkrytycz
nym wody. Węgiel po zmieleniu (1) podawany jest w postaci zawiesiny do obiegu pod ciśnieniem wynoszącym ca 24 KPa. W reaktorze (2) następuje szyb
kie podgrzewanie zawiesiny z przekroczeniem temperatury krytycznej wody do temperatury końcowej ca 480°C, a następnie rozprężenie w hydrocyklonie (3) z efektem dynamicznego rozdzielenia substancji mineralnej 1 koksiku od ekstraktu (unoszonego parą wodną) na skutek gwałtownego zwiększenia jego prędkości liniowej przepływu. W procesie tym przewiduje się również rozdzielenie substancji mineralnej od koksiku. Ekstrakt jako paliwo u- szlachetnione w postaci hydrozolu jest unoszony z parą kierożaną do wyso
kociśnieniowej wytwornicy pary (4), spełniającej jednocześnie funkcję kon
densatora, w którym nastąpi skroplenie, oddzielenie ekstraktu i gazów oraz wstępna destylacja produktów ciekłych. Skropliny po ich uprzednim wykorzystaniu do podgrzewu regeneracyjnego wody zasilającej wytwornicę pary zawracane są do mieszacza (5) i do młyna węglowego (1). Wytworzona w wytwornicy para nasycona o ciśnieniu ca 14-18 MPa jest podgrzewana do temperatury 540°C i kierowana na turbinę parową do wytwarzania energii elektrycznej. Oddzielony w hydrocyklonie (3) koksik podawany jest do ciś
nieniowej fluidalnej komory spalania dostarczającej ciepło do reaktora i
98 J. Ober, T. Stankiewicz
Rys. 1
Sko.iarzony proces przetwarzania węgla... 99
przegrzewacza pary. Spaliny opuszczające kocioł kierowane są do turbiny gazowej napędzającej generator i sprężarkę powietrza zasilającego komorę spalania.
Proponowany układ technologiczny elektrowni zapewnia:
- otrzymanie 20-30# wagowo paliwa ciekłego i gazowego w odniesieniu do 100# wagowych węgla wsadowego (40-60 min tqn przy szerokim zastosowa
niu) oraz energii elektrycznej ze sprawnością około 42#;
- pełną ochronę środowiska naturalnego - spalanie paliwa niskopopiołowego i niskosiarkowego;
- pełne zbilansowanie zapotrzebowania w wodę - proces wykorzystuje wodę zawartą naturalnie w węglu,
- możliwość wprowadzenia nowych technologii wytwarzania energii elek
trycznej (turbiny gazowe, MHD itd.), prowadzących do zwiększenia ogól
nej sprawności przemiany energii chemicznej węgla w energię elektryczną do 50-60#,
- zapewnia możliwość budowy elektrowni opalanych bezpośrednio olejem lub gazem bez konieczności uciążliwego transportowania węgla w odległe czę
ści kraju,
- układ technologiczny nowego typu elektrowni (kombinatu) zapewnia możli
wość bezpośredniej lokalizacji przy kopalni oraz wodny transport urobku, - możliwość zastosowania taniego transportu rurowego bez obciążenia PIP.
Wysoka poprawa sprawności przemiany w zakresie produkcji energii elek
trycznej przyczyni się do obniżenia globalnego zapotrzebowania na węgiel (o 10-15#) w porównaniu z dotychczasowym. Produkowane paliwo płynne uzdro
wi równocześnie zaopatrzenie w energię i ochronę' środowiska w zakresie gospodarki komunalnej i w przemyśle. Proponowane paliwo zastępcze może stanowić równocześnie doskonałą bazę dla procesów uszlachetniających w kierunku produkcji benzyny i innych produktów chemicznych. Nakłady inwe
stycyjne na budowę kombinatu przetwórczego o mocy elektrycznej wynoszącej 2000 UW będą jedynie o ca 30# wyższe od nakładów na równorzędną elektrow
nię o tej samej mocy.
Uwzględniając dodatkowy 20# wzrost nakładów w klasycznych elektrow
niach węglowych na pełną ochronę środowiska oznacza to możliwość prawie pełnego pokrycia nakładów inwestycyjnych kombinatów ze środków przezna
czonych na budowę elektrowni.
4. Zakres prowadzonych prac, badawczych
Badania nad ekstrakcją węgla wodą o parametrach nadkrytycznych prowa
dzone są w Politechnice śląskie-J w Śliwicach od 1978 roku. W wyniku prze
prowadzonych prac eksperymentalnych zapewniających jedynie warunki ciś
nienia 1 temperatury procesu rzeczywistego otrzymano potwierdzenie przy
jętych założeń odnośnie możliwości uzyskania z węgla oleju ekstrakcyjnego
za pomocą ekstrakcji czystą wodą o parametrach nadkrytycznych. Na ogólną ilość około 32# produktów ekstrakcji otrzymano 13# produktów ciekłych oraz 19# gazu o wysokiej zawartości metanu. W chwili obecnej prowadzona jest budowa dużej instalacji doświadczalnej, umożliwiającej pełniejsze ba
danie warunków ekstrakcji i wymiany ciepła, a w szczególności określenie wpływu zjawisk hydrodynamicznych. Wyniki badań z instalacji zostaną wyko
rzystane w procesie projektowania instalacji pilotowej, obejmującej kom
pletny ciąg technologiczny elektrowni pracującej według proponowanej tech
nologii .
LITERATURA
100______________________________________________J. Ober. T. Stankiewicz
[1] Grainger L.: Our future dependence on coal - Chemistra and Industry NQ 18, 1974.
[2l Haddocks R.R., Gibson J.: Supercritical extraction of coal - CEP IB 6, 1977.
[3] Me Collum et all: United States Patent Nfi 3, 983,027.
[ 4 ] Ober J., Stankiewicz T . : Kombinowany proces konwersji węgla na pro
dukty uszlachetnione z jednoczesnym wytwarzaniem energii elektrycznej - Gospodarka Paliwami i Energią NO 10, 1982 (w druku).
[5] Sprawozdanie: Badanie rozpoznawcze nad ekstrakcją węgla w stanach nad
krytycznych - Politechnika Śląska, Gliwice 1979.
Recenzent: doc. mgr inż. Ludwik Sobolewski
Wpłynęło do redakcji dnia 24.VII.1982 r.
nPOUECC IIEPEPAEOTKH yrJIH HA OEJIArOPAKEBAHHOE TOIUIHBO
H BJIEKTPHHECKJTO BHEPrHB
P e s n M e
B cTaTfce npexcTaBxeRa h a s x npocecca nepepadoTKR y rxrt Ha r a s ■ m ixitoe TOMKBO C OAHOBpeMeHHHM BHpaOaTHBaHHeM BXeKTpHv ,'ClCOft SHeprHH. IIpeACTaBJieHO TexHoxoniwecKyD cxeay sjieicTpocraHKHH pa6oTa»meB no npeyciaBjieHHolt hash.
INTEGRATED METHOD OF COAL CONVERSION INTO UPGRADED FUELS AND ELECTRIC ENERGY S u m m a r y
The paper presents a method of obtaining upgraded fuels and electric energy from coal. The drawing shows a scheme of an installation of a new type power plant where the proposed method may be practiced.
